低温生长Cu(InGa)Se2薄膜吸收层的掺钠工艺研究

在柔性聚酰亚胺衬底上低温制备Cu(In,Ga)Se₂薄膜太阳能电池, Na的掺入会改善电池特性, 但不同的掺Na工艺对Cu(In,Ga)Se₂薄膜和器件特性的改善机理不同. 本实验通过对比前掺NaF和后掺NaF工艺发现, 在前掺Na工艺下, 由于Na始终存在于Cu(In,Ga)Se₂薄膜生长过程中, Na存在于多晶 Cu(In,Ga)Se₂ 薄膜晶界处, 起到了扩散势垒的作用, 导致晶粒细碎、加剧两相分离, 同时减小了施主缺陷的形成概率; 而在后掺Na工艺下, 掺入的Na对薄膜的结构及生长不产生影响, 仅仅起到了钝化施主缺陷、改善薄膜缺陷态的作用. 同时, 研究表明, 后掺Na工艺中, NaF必须依靠外界能量辅助才能扩散进Cu(In,Ga)Se₂内部, 实验结果证实, 只有衬底温度达到350 ℃以上时, 掺入的NaF才能较好地改善薄膜特性. 最终经掺Na工艺的优化, 得到低温工艺制备的柔性聚酰亚胺衬底器件效率达10.4%.     

GaInP/GaAs太阳电池的柔性封装及稳定性

柔性Ⅲ-Ⅴ薄膜太阳电池通常被作为空间电源在航天器上使用,而在实际应用中适宜的封装材料可以保护电池免受水分、氧化、污染物等环境因素的影响.因此,探究合适的柔性封装方案和电池性能的长期稳定性至关重要.本文利用电阻焊方法将制备好的柔性双结GaInP/GaAs太阳电池进行焊接,之后采用具有高透光性的薄膜材料和热熔胶与柔性电池进行层压封装并研究了其在恶劣储存条件下的性能稳定性和环境耐受性.研究结果表明,柔性封装太阳电池在1000 h以上的温度为85℃,相对湿度85%(85℃/85%RH)的湿热试验以及108次温度范围为–60℃—75℃的冷热循环老化试验后仍然保持了很好的稳定性,表明封装工艺对柔性太阳电池具有较好的保护作用.此外,基于二极管模型的电学仿真结果表明,柔性封装后电池性能的改变是由于载流子复合增强,从而降低了开路电压.     

低温超薄高效Cu(In,Ga)Se2太阳电池的实现

衬底温度保持恒定, 在Se气氛下按照一定的元素配比顺序蒸发Ga, In, Cu制备厚度约为0.7 μrm的Cu(In_0.7Ga_0.3)Se₂ (CIGS)薄膜. 利用X射线衍射仪分析薄膜的晶体结构及物相组成, 扫描电子显微镜表征薄膜形貌及结晶质量, 二次离子质谱仪测试薄膜内部元素分布, 拉曼散射谱 分析薄膜表面构成, 带积分球附件的分光光度计测量薄膜光学性能. 研究发现在Ga-In-Se预制层内, In主要通过晶界扩散引起Ga/(Ga+In)分布均匀化. 衬底温度高于450 ℃时, 薄膜呈现单一的Cu(In_0.7Ga_0.3)Se₂相; 低于400℃, 薄膜存在严重的Ga的两相分离现象, 且高含Ga相主要存在于薄膜的上下表面; 低于300 ℃, 薄膜结晶质量进一步恶化. 薄膜表层的高含Ga相Cu(In_0.5Ga_0.5)Se₂以小晶粒形式均匀分布于薄膜表面, 增加了薄膜的粗糙度, 在电池内形成陷光结构, 提高了超薄电池对光的吸收. 加上带隙值较小的低含Ga相的存在, 使电池短路电流密度得到较大改善. 衬底温度在550 ℃–350 ℃变化时, 短路电流密度J_SC是影响超薄电池转换效率的主要因素; 而衬底温度T_sub低于300 ℃时, 开路电压V_OC和填充因子FF降低已成为电池性能减退的主要原因. T_sub为350 ℃时制备的0.7 μm左右的超薄CIGS电池转换效率达到了10.3%. 关键词： 2薄膜')" href="#">Cu(In,Ga)Se₂薄膜 衬底温度 超薄 太阳电池     

n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-Cu2ZnSnS4太阳能电池光伏特性的分析

具有高光吸收系数的半导体Cu₂ZnSnS₄ (CZTS)薄膜是一种新型太阳能电池材料. 本文对n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS结构的CZTS薄膜太阳能电池进行分析, 讨论CZTS薄膜的掺杂浓度、厚度、缺陷态和CdS薄膜的掺杂浓度、 厚度对太阳能电池转换效率的影响以及太阳能电池的温度特性. 分析表明, CZTS薄膜作为太阳能电池的主要光吸收层, CZTS薄膜的掺杂浓度和厚度的取值对太阳能电池的转换效率有显著影响, CZTS薄膜结构缺陷态的存在会导致太阳能电池性能的下降. CdS缓冲层的掺杂浓度、厚度对太阳能电池光伏特性的影响较小. 经结构参数优化得到的n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS薄膜太阳能电池的最佳光 伏特性为开路电压1.127 V、短路电流密度27.39 mA/cm²、填充因子87.5%、 转换效率27.02%,转换效率温度系数为-0.14%/K.     

GaNAs基超晶格太阳电池的分子束外延生长与器件特性

采用分子束外延(MBE)生长技术生长了周期厚度不同的1 e V吸收带边的Ga N0.03As0.97/In0.09Ga0.91As应变补偿短周期超晶格(SPSL)。高分辨率X射线衍射(HRXRD)测量结果显示,当周期厚度从6 nm增加到20 nm时,超晶格的结晶质量明显改善。然而,当周期厚度继续增加时,超晶格品质劣化。对超晶格周期良好的样品通过退火优化,获得了具有低温光致发光现象的高含N量Ga NAs/In Ga As超晶格,吸收带边位于1 e V附近。使用10个周期的Ga NAs/In Ga As超晶格(10 nm/10 nm)和Ga As组成的p-i-n太阳电池的短路电流达到10.23 m A/cm2。经聚光测试获得的饱和电流密度、二极管理想因子与由电池暗态电流-电压曲线得到的结果一致。     

包含布拉格反射器的空间用GaInP/(In)GaAs/Ge三结太阳电池性能

利用光学膜系设计软件(TFCalc),设计出空间用GaInP/(In)GaAs/Ge三结太阳电池的分布式布拉格反射器(DBR)。实验结果表明由15对Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As组成的DBR在中心波长850nm处的反射率高达96%,使800~900nm波段内红外光被有效反射后又被二次吸收,提高了GaInAs中间电池的抗辐照能力。基于细致平衡原理,结合p-n结形成机理,对原电池结构和包含DBR的新电池结构进行厚度优化。通过对比中电池厚度为2.93μm的原电池结构和中电池厚度为1.2,1.6,2.0μm的新电池结构的辐照前外量子效率(EQE),发现新电池结构基本弥补了基区减薄对短路电流的影响。通过分析两种结构电池辐照前后的电学性能,发现DBR结构的存在明显改善了辐照后电池电流的衰减,并且中电池厚度为1.6μm的新电池结构辐照后效率高达24.87%,较原电池结构提升了近2%,基本接近中电池厚度为2.0μm的新电池结构,且明显高于1.2μm中电池厚度的新电池结构。     

Ga梯度分布对Cu(In,Ga)Se_2薄膜及太阳电池的影响

传统制备Cu(In,Ga)Se2(CIGS)手段之一是共蒸发三步法,工艺中通过Cu,In,Ga,Se 4种元素相互扩散、作用形成抛物线形的Ga梯度分布.本文通过调整Ga源温度制备了Ga梯度分布不同的CIGS薄膜及电池.利用多种测试方法,研究了Ga梯度分布不同对CIGS薄膜表面及背面结构性质及电性质的影响,计算分析了表面导带失调值及背面电场对电池性能的影响,从而获得了合适的Ga梯度分布,提高了电池光谱相应,获得了较好的电池性能参数.     

空间用GaInP/GaAs/In0.3Ga0.7 As(1 eV)倒装三结太阳电池研制

采用阶变缓冲层技术 (step-graded) 外延生长了具有更优带隙组合的倒装GaInP/GaAs/In_0.3Ga_0.7As(1.0 eV) 三结太阳电池材料, TEM和HRXRD测试表明晶格失配度为2%的In_0.3Ga_0.7As 底电池具有较低的穿透位错密度和较高的晶体质量, 达到太阳电池的制备要求. 通过键合、剥离等工艺制备了太阳电池芯片. 面积为 10.922 cm² 的太阳电池芯片在空间光谱条件下转换效率达到32.64% (AM0, 25 ℃), 比传统晶格匹配的 GaInP/GaAs/Ge(0.67 eV) 三结太阳电池的转换效率提高3个百分点. 关键词： 太阳电池 三结 倒装结构     

Stage2沉积速率对低温生长CIGS薄膜特性及器件的影响

研究了三步法第二步沉积速率对低温生长Cu(In,Ga)Se₂薄膜结构、 电学特性和器件特性的影响. 通过改变第二步沉积速率发现, 提高沉积速率可以显著促进薄膜晶粒生长, 提高晶粒紧凑程度降低晶界复合, 同时有效改善两相分离现象, 提高电池的开路电压和短路电流, 有助于Cu(In,Ga)Se₂电池光电转换效率的提高. 但同时研究表明, 随着第二步沉积速率的增加, 会促进暂态Cu_2-xSe晶粒的生长, 引起Cu(In,Ga)Se₂薄膜表面粗糙度增大, 并阻碍Na向Cu(In,Ga)Se₂薄膜表面的扩散, 造成施主缺陷钝化效应降低, 薄膜载流子浓度下降和电阻率升高, 且过高的沉积速率会引起电池内部复合增加并产生分流路径, 造成开路电压下降进而引起电池效率恶化. 最终, 通过最佳化第二步沉积速率, 在衬底温度为420℃时, 得到最高转换效率为11.24%的Cu(In,Ga)Se₂薄膜太阳电池.     

新型MIP+-Al0.3Ga0.7As/P-n-n+-GaAs太阳电池的设计与Ⅰ-Ⅴ特性理论分析

为充分利用太阳光的短波部分,将AlxGa1-xAs设计为电池的又一个光伏工作层,并引入固定负电荷,建立界面感应势垒,形成MIp+-AlGaAs感应结,有效降低界面对光生电子的复合.以制作工艺简单的p+-AlGaAs/p-GaAs界面,将感应结与p/n-GaAs部分连接起来,构成新型高效率复合结构MIp+-Al0.3Ga0.7As/p-n-n+-GaAs太阳电池.其I-Ⅴ特性理论研究结果表明,选择合适的负电荷面密度数和Al0.3Ga0.7As层的掺杂浓度,即建立合适高度的感应势垒,可显著降低界面复合速度近8个数量级.优化设计得到的整个电池的效率为31.5%,较传统的窗口层电池有明显提高.     

ZnS/CdS复合窗口层对CdTe太阳能电池短波光谱响应的影响

采用磁控溅射法制备了ZnS/CdS复合窗口层,并将其应用于CdTe太阳能电池。对所制备薄膜的形貌和结构等进行了研究。测试了具有不同窗口层的CdTe太阳电池的量子效率和光Ⅰ-Ⅴ特性,分析了ZnS薄膜制备条件对CdTe电池器件性能影响;研究了CdS薄膜厚度和ZnS/CdS复合窗口层对短波区透过率以及CdTe太阳电池的光谱响应的影响。着重研究了具有ZnS/CdS复合窗口层的CdTe太阳电池的短波光谱响应。结果表明,CdS窗口层厚度从100 nm减至50 nm后,其对短波区光子透过率平均提高了18.3%,CdTe太阳电池短波区光谱响应平均提高了27.6%。衬底温度250 ℃条件下制备的ZnS晶粒尺寸小于室温下制备的ZnS。具有ZnS/CdS复合窗口层的CdTe电池中,采用衬底温度250 ℃沉积ZnS薄膜来制备窗口层的电池器件,其性能要优于室温下沉积ZnS制备窗口层的电池器件。这说明晶粒尺寸的大小对电子输运有一定影响。在相同厚度CdS的前提下,具有ZnS/CdS复合窗口层的CdTe电池比具有CdS窗口层在短波的光谱响应提高了约2%。这说明ZnS/CdS复合窗口层能够做到减少对短波光子的吸收,从而使更多的光子被CdTe电池的吸收层吸收。     

Evaluation of electrical and optical characteristics of ZnO/CdS/CIS thin film solar cell

In this study, device modeling and simulation are conducted to explain the effects of each layer thickness and temperature on the performance of ZnO/CdS/CIS thin film solar cells. Also, the thicknesses of the CIS and CdS absorber layers are considered in this work theoretically and experimentally. The calculations of solar cell performances are based on the solutions of the well-known three coupling equations: the continuity equation for holes and electrons and the Poisson equation. Our simulated results show that the efficiency increases by reducing the CdS thickness. Increasing the CIS thickness can increase the efficiency but it needs more materials. The efficiency is more than 19% for a CIS layer with a thickness of 2 μm. CIS nanoparticles are prepared via the polyol route and purified through centrifugation and precipitation processes.Then nanoparticles are dispersed to obtain stable inks that could be directly used for thin-film deposition via spin coating.We also obtain x-ray diffraction(XRD) peak intensities and absorption spectra for CIS experimentally. Finally, absorption spectra for the CdS window layer in several deposition times are investigated experimentally.     

MoO3/Ag/Al/ZnO intermediate layer for inverted tandem polymer solar cells

We report an MoO3/Ag/Al/ZnO intermediate layer connecting two identical bulk heterojunction subcells with a poly(3-hexylthiophene) and [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(P3HT and PCBM) active layer for inverted tandem polymer solar cells. The highly transparent intermediate layer with an optimized thickness realizes an Ohmic contact between the two subcells for effective charge extraction and recombination. A maximum power conversion efficiency of 3.76% is obtained for the tandem cell under 100 mW/cm2 illumination, which is larger than that of a single cell(3.15%).The open-circuit voltage of the tandem cell(1.18 V) approaches double that of the single cell(0.61 V).     

基于氧化镍背接触缓冲层碲化镉薄膜太阳电池的研究

采用电子束蒸发法制备了NiO薄膜,并对其作为碲化镉薄膜太阳电池背接触缓冲层材料进行了相关研究.NiO缓冲层的加入使得碲化镉太阳电池开路电压显著增大.通过X射线光电子能谱测试得到的NiO/CdTe界面能带图表明NiO和CdTe的能带匹配度很好.NiO是宽禁带P型半导体材料,在电池背接触处形成背场,减少了电子在背表面处的复合,从而提高电池开路电压.通过优化NiO薄膜厚度,制备得到转换效率为12.2%、开路电压为789 mV的碲化镉太阳电池.研究证实NiO是用来制备高转换效率、高稳定性碲化镉薄膜太阳电池的一种极有前景的缓冲层材料.     

衬底温度对共蒸发法制备Cu2ZnSnSe4太阳电池的影响

采用共蒸发法在不同衬底温度下沉积Cu_2ZnSnSe_4(简称CZTSe)薄膜,分析了衬底温度对CZTSe材料性质及电池性能的影响。研究表明:当衬底温度较低时(380℃),CZTSe薄膜中含有SnSe_x使电池失效;随着衬底温度的升高,CZTSe薄膜的结晶质量明显提升,电池开路电压增加。但当衬底温度达到460℃时,电池的转换效率反而下降;结合CZTSe的生长机理及器件模型分析了电池效率下降可能的原因。最终在衬底温度420℃的条件下制备出效率为3.12%(有效面积0.34 cm~2)的CZTSe太阳电池。     

太阳能电池陷光结构辐射特性研究

本文分析了不同微结构、电池厚度对太阳能电池光损失的影响,提出了一种新的电池陷光结构。运用时域有限差分法(FDTD)仿真了该类太阳能电池陷光结构中光传输过程,获得了不同波源入射下陷光结构电池的储能特性和光捕获特性,优化设计了最佳陷光结构并分析了其光捕获性能。     

The effects of InGaN layer thickness on the performance of InGaN/GaN p-i-n solar cells

InGaN/GaN p-i-n solar cells, each with an undoped In0.12Ga0.88N absorption layer, are grown on c-plane sapphire substrates by metal-organic chemical vapor deposition. The effects of the thickness and dislocation density of the absorp- tion layer on the collection efficiency of InGaN-based solar cells are analyzed, and the experimental results demonstrate that the thickness of the InGaN layer and the dislocation density significantly affect the performance. An optimized InGaN- based solar cell with a peak external quantum efficiency of 57% at a wavelength of 371 nm is reported. The full width at half maximum of the rocking curve of the （0002） InGaN layer is 180 arcsec.     

微晶硅锗薄膜作为近红外光吸收层在硅基薄膜太阳电池中的应用

采用射频等离子体增强化学气相沉积技术,制备了具有一定晶化率不同Ge含量的氢化微晶硅锗(μcSi1-xGex:H)薄膜.通过Ⅹ射线荧光谱、拉曼光谱、X射线衍射谱、傅里叶红外谱、吸收系数谱和电导率的测试,表征了μc-Si_(1-x)Ge_x:H的材料微结构随Ge含量的演变.研究表明:提高Ge含量可以增强μc-Si_(1-x)Ge_x:H薄膜的吸收系数.将其应用到硅基薄膜太阳电池的本征层中可以有效提高电池的短路电流密度(J_(sc)).特别是在电池厚度较薄或陷光不充分的情况下,长波响应的提高会更为显著.应用ZnO衬底后,在Ge含量分别为9%和27%时,μc-Si_(1-x)Ge_x:H太阳电池的转换效率均超过了7%.最后,将μc-Si_(1-x)Ge_x:H太阳电池应用在双结叠层太阳电池的底电池中,发现μc-Si_(0.73)Ge_(0.27):H底电池在厚度为800 nm时即可得到比1700 nm厚微晶硅(μc-Si:H)底电池更高的长波响应.以上结果体现μc-Si_(1-x)Ge_x:H太阳电池作为高效近红外光吸收层,在硅基薄膜太阳电池中应用的前景.     

肖特基钙钛矿太阳电池结构设计与优化

有机-无机杂化钙钛矿材料有高吸收系数、低廉的制作成本以及较为简单的制备工艺,在近年来表现出良好的发展前景.本文采用wx-AMPS模拟软件对平面结构钙钛矿太阳电池和肖特基钙钛矿太阳电池进行建模仿真对比,从理论上分析无载流子传输层的肖特基钙钛矿太阳电池的优势.结果显示,器件两侧电极功函数和吸收层的能带分布是提高太阳电池效率的关键.在对电极使用Au(功函数为5.1 eV)的前提下,透明导电电极功函数为3.8 eV,可以得到肖特基钙钛矿太阳电池转换效率为17.93%.对器件模型吸收层进行优化,通过寻找合适的掺杂浓度,抑制缺陷密度,确定合适的厚度,可以获得理想的转换效率(20.01%),是平面异质结结构(理论转换效率31%)的63.84%.肖特基钙钛矿太阳电池在简单的器件结构下可以获得优异的光电性能,具有较好的应用潜力.